大冶礦區及周邊地下水環境特征與污染源分析*

丁 康 向羅京 申銳莉

(湖北省生態環境科學研究院,湖北 武漢 430072)

隨著經濟高速發展,礦產資源被大量開發利用,由此引起的礦山環境問題日益突出,特別是礦山開采對地下水的影響受到許多學者的關注[1-3]。地下水由于埋藏于地面以下巖土孔隙、裂隙、溶隙飽和層中,其污染具有長期性、隱蔽性、復雜性和難恢復性特點,一旦受到污染,不僅會破壞生態環境,甚至會威脅人們的身體健康[4]。

大冶礦區位于長江中游、鄂東南丘陵地區,地下水是當地居民生活用水和農業灌溉用水的重要水源。大冶礦區的基巖山區表層土壤少導致蓄水能力弱,第四系地層厚度薄導致地下水資源量少,所以當地部分居民還面臨著飲用水得不到保障的風險。礦山開采活動更是導致地下水水質不佳。以往對大冶礦區生活污染、農業污染導致的地下水氮磷超標問題已有關注[5],但礦山開采引起的地下水環境問題未引起足夠重視。因此,本研究全面分析了大冶礦區及周邊地下水主要離子含量和水化學特征,探討了地下水的污染物特征和來源,并對地下水健康風險進行評估,以期為揭示礦山開采引起的地下水環境問題提供參考。

1 方 法

1.1 水樣采集與分析

圖1 大冶礦區水文地質及采樣點分布Fig.1 Hydrogeological and sampling points distribution in Daye Mine

1.2 健康風險評估模型

(1)

HQ=CDI/RfD

(2)

式中:CDI為暴露劑量,mg/(kg·d);C為地下水中有毒有害物質的質量濃度,mg/L;IR為人的每日飲水量,L/d;EF為暴露頻率,d/a;ED為暴露年數,a;BW為人體體重,kg;AT為暴露天數,d,通常用ED乘以365 d/a計算;RfD為經口攝入污染物的參考劑量,mg/(kg·d)。

模型參數見表1。當某種污染物的HQ>1時,表明對人體的非致癌風險不可接受。

表1 地下水健康風險評估模型參數1)Table 1 Groundwater health risk assessment model parameters

2 結果與分析

2.1 地下水化學特征分析

表2 地下水主要水化學指標統計特征Table 2 Statistical characteristics of main hydrochemical indexes of groundwater

2.2 地下水水化學類型

Piper 三線圖可以直觀地反映出地下水水化學類型[11]。將研究區39組水樣分為泉水、民井和監測井3類,投影到Piper三線圖上,如圖2所示。

注:以摩爾分數計,但均換算成單電荷當量。圖3的摩爾濃度也換算成單電荷當量。

2.3 地下水質量評價

2.4 地下水特征污染物來源分析

根據區域地層巖性可以初步判斷,大冶礦區地下水中的硫酸鹽可能來源于含硫礦物(如石膏、方解石、白云石)的溶解。

圖3 Na++Ca2+-Cl-與的關系Fig.3 Relationship between Na++Ca2+-Cl- and

圖4 硫酸鹽同位素與的關系Fig.4 Relationship between sulfate isotope and

2.4.2 Fe來源分析

Fe是人體所必需的元素,但飲用水中過量的Fe亦會對人體健康產生影響[17-18]。目前,我國已有18 個省份的地下水中發現鐵、錳污染,分布在沖積平原和內陸盆地等人口較密集的區域[19]。地下水質量是地下水與周圍巖土之間長期相互作用的結果,受含水層的巖性與物質組成、地下水的補徑排條件以及地下水的氧化還原環境等多因素影響[20]。已有研究表明,還原條件下地下水中的Fe主要以Fe2+形式存在;而氧化條件下主要以Fe3+形式存在,易形成難溶的氫氧化物沉淀,再通過吸附作用等被固定在沉積物中[21]。深層地下水因有黏土隔水層阻隔,受地表自然和人為影響較少,Fe含量比較穩定,但淺層地下水易受影響。

39組水樣中,4個監測井和2個民井的地下水Fe含量超過GB/T 14848—2017 Ⅲ類限值。監測井環境為還原條件,有利于鐵氧化物還原為低價的易溶鹽進入地下水中,所以監測井中Fe含量略高。部分民井埋深較淺,其地下水中的 Fe含量較低,主要是因為黃鐵礦與空氣中的氧氣發生氧化還原反應生成高價的難溶沉淀。同時,氧化還原反應會生成H+導致pH降低,但是研究區廣泛分布著碳酸鹽巖,能對產生的H+起緩沖作用[22],因此pH總體仍偏堿性。

2.5 地下水健康風險評估

3 結 論

(1) 大冶礦區地下水存在9 種水化學類型,主要為Ca-HCO3和Ca-SO4·HCO3,分別占38.5%、30.8%,已受到了人類活動的影響。

(3) Fe含量超標與還原環境、礦渣露天堆放及pH等有關。